晶闸管投切电容器在挖掘机电气系统中的应用

张浩，高跃



晶闸管投切电容器在挖掘机电气系统中的应用

张浩，高跃

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文基于美国2300XP挖掘机无功补偿系统改造工程。首先介绍分析了该挖掘机原有无功补偿系统的特点和存在问题，然后在原有晶闸管投切电容器(TSC)补偿方案的基础上，改进了投切策略提高了无功补偿系统的鲁棒性，并进行了原理仿真验证。改造后的挖掘车正常高效运行。

无功补偿 晶闸管投切电容器 投切策略 闭环控制

0 前言

江西德兴铜矿是我国重要的铜矿基地，也是全国最大的冶金露天开采矿山之一，年采矿量达数百万吨。为了提高采矿效率，90年代初该矿花费巨资先后从美国P&H公司引进了数十台2300XP大型挖掘机。该挖掘车整个控制系统采用当时先进的模拟器件集成，利用可控硅整流调速装置控制提升、推压、回转机构的7台直流电动机拖动运行，因此调速性能好，工作效率高。又由于提升、推压机构的运行特性，可控硅整流调速装置经常处于功率因素0.4～0.7左右的运行。为了提高功率因素，该挖掘机电气系统中特别设计了无功补偿分系统。

然而经过十几年的满负荷运行，该挖掘车的无功补偿控制系统模拟器件老化致使经常出现电容器投切失败、电抗器和主变压器烧毁等诸多故障。为了保障挖掘车的正常高效运行，该矿特邀中船重工第712所对其无功补偿分系统进行改造升级。

1 原有晶闸管投切电容器分析

2300XP挖掘机的电气系统由外部一条6kV交流三相电缆提供电能(如下图1所示)。该电缆与挖掘机后部一台容量为2MVA的三绕组变压器(△/Y/Y)连接，然后降压成两条600V的低压母线1与母线2。然后两条母线上分别连接着相同容量的静止电容器补偿支路和TSC动态补偿支路，线路末端通过晶闸管整流器向直流电动机供电调速运行。

1.1 2300XP挖掘机TSC主电路特点

TSC无功补偿装置常用的主电路方案有多种。2300XP挖掘机采用的是下图2所示的晶闸管反并联二极管三角形连接方案。该方案特点是每次切除电容器后，电容通过二极管从电网充电使电容两端电压总是保持电源线电压峰值。这样，相比双晶闸管并联方案不仅可以减少晶闸管的使用数量，还相应减少了控制系统的工作量。当晶闸管重新投入时，只要触发脉冲序列在电源线电压峰值开始触发就可以保证合闸冲击电流较小。其缺点是第一次送电时仍会发生电流冲击和未投切时晶闸管承受的最大反向电压为电源电压峰值的2倍。综合考虑到挖掘车平时强震动、大粉尘的恶劣工作环境，减少控制的复杂性可以提高系统的可靠性和为被改造单位节约成本等原因，我们决定仍然沿用晶闸管反并联二极管的主电路接线方案[1]。

1.2 2300XP挖掘机TSC控制系统

通常无功补偿系统可以选择系统的功率因数或是无功功率来作为系统控制对象，而2300XP挖掘机无功补偿系统系统是以无功功率为控制目标，通过检测电源电压过零点时刻的负荷电流值来计算无功功率。

假定电源电压为：

那么负荷电流为：

可见，只要测量电压正向过零时刻的负载电流，就可以得到无功电流的最大值，然后再乘以电源的额定电压就可以得到系统的无功功率。无功功率控制器计算得到系统的无功功率后发出一个电压信号，通过电压信号的大小来确定需要投入TSC支路的数量。

在晶闸管投切策略上，2300XP系统采用通过同步变压器检测600 V低压母线线电压相位，在检测到某一线电压峰值的时刻向相应晶闸管发出脉冲触发信号，其它各相依次延迟120度相继发出脉冲触发信号。此种方法中，低压母线线电压峰值时刻的检测精度和支路电抗两个因素直截关系到电容器投切的成功与否。

综合分析，2300XP无功补偿系统的投切依据和投切策略原理简单、可实现性强。但也还有改进的地方：1)实际系统中母线连接着晶闸管6脉波整流器，那么母线电流中将含有6k±1次等谐波电流，进而造成母线电压的畸变，因此实际的母线电压与系统额定电压并不一致，这样计算出的系统无功功率可能出现误差过大的情况而造成无功过补偿；2)通过检测低压母线线电压峰值时刻的精确性也容易受到母线电压畸变或是同步变压器使用损耗的影响。因此本次改造采用检测晶闸管两端阀电压的控制策略，当阀压小于阙值时触发晶闸管的新方案。

2 新的TSC投切控制改造方案

本次无功补偿分系统改造为了节约工期和为用户减小改造成本，在保留原有主电路的基础上改造主要从控制策略和控制器件两个方面进行。首先将原有控制策略中依靠同步变压器来确定投切时间的开环策略改为检测晶闸管两端电压的闭环控制策略。（如下图3、图4所示）同时，将系统中的模拟元件全部改成精度好、受环境影响小、延时少的数字系统。

为了减小晶闸管投切时的冲击电流，投切时刻最好能够选取在电源电压的峰值投切。如下以单相的TSC补偿支路为例来推导通过检测阀压来确定电源电压的峰值时刻[2]：

解方程得[3]：

当电源电压处于峰值时，阀压此时为：

3 仿真验证

为了验证新的投切控制策略原理正确、鲁棒性强，我们选择了 MATLAB 7.0仿真软件对晶闸管投切过程进行了投切原理仿真。主要验证系统参数变化时，闭环控制策略比原有投切方法要更能可靠运行。

我们设置仿真步长设为1e-4，仿真时间0.08 s，系统母线线电压600 V，当母线阻抗与支路电抗瞬间发生变化，以及电网电压畸变时，可能出现以下情况：当检测到母线电压处于峰值时，此时电容端电压仍然低于母线电压。若采用开环同步控制策略，此时控制器应向晶闸管发出触发脉冲信号，由下图6可知，结果是晶闸管不能导通，电容器投切失败；在同样情况下，采用闭环控制策略的控制器通过检测晶闸管两端阀压的大小，在晶闸管阀压在设定区间内时发出脉冲信号。如下图7所示，可以很精确的投入电容器。

在实际应用中调谐系数n一般取为4.0～5.0之间，这样不仅可以很好的抑制投切时的支路涌流还可以保证电容器实际充电电压稍许高于电网母线的线电压。在2300XP改造中对于600 V的两条低压母线我们取调谐系数n＝4.5，则阀压阙值的最大值取44 V。当阀压一旦小于44 V，CPLD控制板将通过脉冲变压器给晶闸管触发脉冲信号。

4 结论

采用闭环控制策略和CPLD为核心的控制板完成晶闸管投切电容器组的控制功能，其投切准确、快速，实现了电压、电流的无冲击投切，整个无功功率补偿装置在2300XP挖掘车稳定可靠运行，系统功率因数从补偿前的0.4～0.7提高到0.92以上，轻载时的不仅母线电压能保持稳定而且系统功率因素也保持在0.90以上。实际应用说明采用该控制策略的TSC对于晶闸管整流装置或者其他大型电动机等对称性负载所产生的无功冲击是有效的，并且鲁棒性强，是一种技术含量高、投资相对较少、使用效益显著的新方法。

[1] 王兆安，杨君，刘进军等. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京：机械工业出版社, 2005.

[2] R.MohanMathur,Rajiv .Varma. THURISTOR BASED FACTS CONTROLLERS FORELECTRICAL TARANSMISSION SYSTEMS[M]．CANADA: John Wiley&Sons, Inc．2003．

[3] 谷永刚，肖国春，裴云庆，王兆安等. 晶闸管投切电容器(TSC)技术的研究现状与发展[J]. 电力电子技术, 2003, (2): 85-88.

[4] 黄绍平，彭晓，浣喜明. TSC无功补偿装置的设计.高压电器[J]. 2003, (12):33-35.

Applications of Thyristor Switch Capacitor to the Electrical System for a Excavator

Zhang Hao, Gao Yue

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China)

TM571

A

1003-4862（2014）09-0028-04

2014-08-25

张浩（1981-），男，工程师，硕士研究生。研究方向：舰船电力推进系统。